復雜城市管網多氣源混輸模型的構建及工程應用

童睿康 王鵬 蔡磊 張引弟

1.長江大學石油工程學院 2.北京石油化工學院機械工程學院,深水油氣管線關鍵技術與裝備北京市重點實驗室3.北京市燃氣集團有限責任公司

近年來,隨著燃氣的使用量不斷增大,城市燃氣管網規模不斷擴大,管網的拓撲結構趨向于復雜化[1-2]。考慮到供氣穩定和降低成本等多方面因素,城市燃氣通常采用多氣源聯合供氣[3-4]。因為不同來源的氣體組成通常不相同,所以多氣源混合供氣常會導致用戶所接收到的氣體氣質發生變化,進而對用戶造成一定影響。一旦造成相關事故,需要花費大量人力、物力進行故障排查與檢修[5-10]。

為了保障多氣源混輸管網安全平穩運行,學者們已對燃氣混輸供氣、燃氣互換性,以及氣質要求等方面開展了一系列的研究[11-16]。這些研究對多氣源燃氣供氣安全和穩定運行起到一定指導作用。但是,這些工作對燃氣管網多氣源氣質組分追蹤探討和用戶氣質波動過程研究較少。燃氣管網仿真可以模擬燃氣在管網內的流動狀態,近年來開始應用于多氣源混輸研究中。目前已有學者利用管網仿真技術模擬了多氣源混輸過程中的發熱量變換和調峰時的儲氣能力[17-18]。這些研究為多氣源安全、經濟輸送工程提供了重要的指導作用,但較難反映不同氣源以及氣體組成的分布,從而導致在多氣源混輸中應用有限。為此,本文構建了復雜城市燃氣管網多氣源混輸模型,并研究了A 城市高壓燃氣管網多氣源混輸運行特性,為其安全穩定運行提供理論指導。

1 燃氣管網多氣源混輸模型

本研究對象為城市燃氣管網,燃氣在管道流動時溫降較小,可以視為等溫流動[19]。本研究在傳統水力仿真模型基礎上添加氣體組分模型,構建城市管網多氣源混輸模型。氣體組分模型可以追蹤各組分的氣體組分分布和氣源的比例,從而可以描述燃氣組分在管網內的分布情況和氣源的影響范圍。

1.1 燃氣管網水力模型

1.1.1 管道壓降方程

城市燃氣長輸管道斷面的高差通常小于200 m,可以視為水平輸氣管道,忽略高差對管道壓降的影響。水平輸氣管道的流量-壓降計算公式見式(1)[20]。

式中:Q為管道體積流量,m3/s;pin為該管道的起點壓力,Pa;pout為該管道的終點壓力,Pa;D為管道內徑,m;λ為水力摩阻系數;Z為氣體的壓縮因子;T為管道溫度,K;L為管道長度,m;Δ為燃氣相對空氣的密度,其中ρ為燃氣的密度,kg/m3;ρa為空氣的密度,kg/m3。

1.1.2 節點流量守恒方程

根據質量守恒原理,節點處流入燃氣的總流量等于流出燃氣的總流量[21]。因此,節點處燃氣的流量方程見式(2)。

式中:Qin為流入當前節點的體積流量,m3/s;Qout為流出當前節點的體積流量,m3/s。

1.2 燃氣管網氣體組分模型

1.2.1 氣體組分追蹤方程

對于多氣源混輸管網,來自不同管道的不同組分天然氣在管網的節點處混合后,向下游管道繼續輸送。根據質量守恒原理,上游管道天然氣中某一組分的質量與下游管道相等,由此列出每根管道的天然氣氣體組分方程見式(3)。

1.2.2 氣源比例追蹤方程

多氣源管網用戶處發生氣質異常工況時,不僅需要了解各個管道處的氣體組成,還需知道用戶和管道處的氣體來源。氣源比例追蹤方程與氣體組分追蹤方程原理相似,流出節點的氣源比例等于流入節點處的氣源比例。此時,管網氣源比例方程見式(4)。

1.3 物性方程

1.3.1 狀態方程

多氣源混輸過程中由于壓力和氣體組分的變化,引起密度和壓縮因子等參數的改變。因此,需要采用狀態方程描述氣體物性參數之間的關系。常用的狀態方程有RK、SRK、PR 和BWRS方程。由于BWRS方程具有范圍大、精度高等優點,本研究采用BWRS方程進行狀態參數的求解[22-23],見式(5)。

式中:p為天然氣壓力,k Pa;ρ為天然氣密度,kmol/m3;R為氣體常數,R=8.314 kJ/(kmol·K);T為天然氣 的 溫 度,K;A0,B0,C0,D0,E0,a,b,c,d,α,γ為BWRS 方程的參數,具體求解過程可以參見文獻[22]。

1.3.2 華白數方程

多氣源混輸時,為了保障管網的安全平穩運行,需要考慮燃氣的互換性。華白數法是表征燃氣互換性常用方法。我國華白數法判定依據為:兩種燃氣互換后,華白數變化小于5%[24]。

式中:W為燃氣的華白數,MJ/m3;H=Σy i·H i,H i為燃氣i組分的發熱量,MJ/m3;y i為燃氣i組分的體積分數;Δ為燃氣相對空氣的密度。

1.4 模型求解

式(1)～式(6)構成了復雜城市燃氣管網多氣源混輸模型,該模型的迭代法求解流程如圖1所示。通過管網拓撲結構來構建多氣源混輸管網數學模型。結合管道直徑、管長等管網參數和用戶壓力、流量等管網邊界條件,確定管網仿真的初值。求解水力方程,確定管網內管道的流量。將流量代入氣體組分方程求出管網內氣體組分分布和氣源比例。對流量和壓力等參數進行偏差判斷。如果偏差小于允許值,則求解過程結束,輸出結果。否則更新水力參數,重新求解水力方程和氣體組分方程。

2 模型驗證

2.1 算例描述

本研究采用某省的規劃管網來驗證所開發多氣源混輸仿真技術。該管網含有8個氣源,49根管道,44個節點,共構成6個環路。該管網拓撲結構如圖2所示,拓撲結構較為復雜,8個氣源組成各不相同。管段參數、各氣源的氣體組成,以及節點流量壓力參見文獻[25]。

2.2 水力模型準確度驗證

通過對比管道流量和節點壓力,來驗證本研究水力模型的正確性。圖3和圖4分別為管道流量結果和節點壓力結果。

從圖3和圖4可以看出,本研究建立的模型計算得出的管道流量和節點壓力結果與文獻結果吻合較好,這說明所建模型能夠較準確地計算燃氣管網內的流量和壓力。

2.3 氣源比例準確度驗證

通過對比典型管道中氣源所占比例(體積分數)和燃氣發熱量,驗證本研究氣體組分方程的準確性。表1給出了典型管道的氣源比例、發熱量及其相對偏差。從表1可以看出,本研究所計算的氣源比例與文獻值基本吻合,最大偏差為1.62%;模擬值與文獻值的發熱量幾乎完全吻合,最大偏差僅為0.843%,滿足發熱量測定不確定度小于2.0%。這說明本研究所建立的氣體組分模型準確性較好。

表1 某省規劃管網管道氣源比例、發熱量及其相對偏差

3 A城市高壓管網多氣源混輸工程應用

在驗證本研究所開發的多氣源混輸管網仿真技術的正確性后,將其應用于A 城市高壓燃氣多氣源混輸工程中。A 城市高壓燃氣管網供氣源較為復雜,含有陸上天然氣、煤改氣、海上進口LNG 等6種氣源。6種氣 源 分 別 為S1、S2、S3、S4 線 氣 源、KQ-SNG 和LNG。各氣源的氣體組成有一定的差異,再加上A 城市夏冬季節性供氣量的差異性,多氣源混輸必定對A城市氣質穩定造成一定影響。本研究通過建立的仿真模型對A 城市管網夏季和冬季兩種工況進行模擬,研究管網中壓力及氣體組成的分布規律,探討季節性供氣方案調整對輸氣站氣質的影響,為A 城市燃氣管網多氣源安全平穩運行提供指導。A 城市多氣源混輸高壓管網拓撲結構如圖5所示。夏冬管網管道參數列于表2,各種氣體組分參數列于表3,夏冬工況下流量和壓力列于表4。

表2 A城市高壓燃氣管網管道參數

表3 氣源組分參數 φ/%

表4 氣源流量和壓力

3.1 輸氣站壓力分析

圖6為A 城市燃氣管網各輸氣站的壓力。從圖6中可以看出,夏季工況下A 城市管網壓力基本低于冬季管網壓力。此外,A 城市夏季工況下管網高壓區主要集中在北部的XST、GLY 和MY 輸氣站,冬季高壓區集中在北部地區和南部的YQ 和BD 輸氣站。這是由于A 城市管網的夏季供氣主要由S4 和KQ-SNG提供,因此夏季高壓區主要集中在北部。到了冬季,為了滿足城市用氣需求,在北部供氣保持不變的前提下,S2、S3和LNG 開始加大供氣量。因此,與S2、S3 和LNG 氣源相連接的YQ 和BD 輸氣站壓力增大。值得指出的是,BD 和YQ 輸氣站在冬季和夏季壓力波動高達1.2 MPa,相對偏差高達20%,這將對兩處輸氣站的安全供氣提出較大的挑戰。而無論對于工業用戶還是居民用戶,其燃具已經確定。因此,為了保障生產、生活的平穩,應盡量為用戶提供穩定的燃氣,必要時建立專線為電廠燃氣輪機供氣,防止換季時由于壓力變化較大對管網運行造成不利影響。

3.2 輸氣站氣源比例分析

由于A 城市氣源組成的差異性,同時夏冬季用氣量的變化,將對A 城市氣質安全穩定造成一定影響,因此,需要對A 城市氣源比例進行追蹤,以了解各氣源的影響范圍。夏冬季兩種工況下,各輸氣站氣源比例列于表5和表6。

表5 A城市管網夏季工況各輸氣站氣源比例 φ/%

表6 A城市管網冬季工況各輸氣站氣源比例 φ/%

從表5可以看出,夏季工況下S4承擔著A 城市燃氣管網的主要供氣任務,所有輸氣站的氣體來源都與S4氣源有關。S2、S3主要為YQ 和YQ 北部的CY和CQ 輸氣站供氣,S1主要為LLH 供氣,KQ-SNG 為MY 和MF等A 城市東北部東部和環內XJ、TZ等輸氣站供氣,LNG 不參與A 城市城市管網夏季供氣任務。到了冬季,由于用戶用氣增加,S2、S3和LNG 加大供氣。

從表6可以看出,此時XH、TZ、YQ、CQ、CY 等A 城市南部地區輸氣站氣體來源變為S2、S3和LNG,而A 城市管網東部的MY 和MF等輸氣站仍由S4和KQ-SNG 聯合供氣。夏冬季兩種工況下某些輸氣站氣源比例變化較大。例如,TZ 夏季氣體來源只有S4和KQ-SNG,到了冬季增加了S2、S3和LNG 的燃氣;LX夏季時完全由S4供氣,到了冬季S1、S2、S3、S4和LNG 都對其進行供氣。上述輸氣站的氣體來源幾乎發生置換。氣源氣質的較大波動容易給工業生產和居民生活帶來不便,建議對上述輸氣站及周邊區域加強監控和管理。

3.3 輸氣站氣體組分分析

燃氣中的甲烷、氫氣等組分對燃氣燃燒和管網安全運行起著十分重要作用。圖7和圖8分別給出各輸氣站甲烷和氫氣的體積分數。

由于甲烷中只含有C-H 鍵,燃燒時碳煙顆粒的產生會相對減少。高含量的甲烷能減少碳煙顆粒排放,減少對環境的污染。因此,甲烷含量高低可代表燃氣燃燒清潔程度。從圖7可以看出,夏冬季兩種工況下各輸氣站甲烷體積分數較高,均超過92%。所有輸氣站冬季工況下的甲烷含量高于夏季工況。因此,燃燒相同體積的燃氣,冬季時碳煙顆粒排放要小于夏季。冬季時A 城市用氣增多,采用更加清潔的氣體,這對A 城市的霧霾防治有著積極意義。

對于一些對氣質較為敏感的電廠,當燃氣氫組分體積分數超過1%,有可能導致燃氣輪機組損壞。因此,了解A 城市燃氣管網內氫氣的分布十分重要。從圖8可以看出,各輸氣站處氫氣的占比都小于1%,這說明夏冬兩季供氣波動對A 城市管網內氣質要求較高的工業用戶安全運行影響不大。但是,從表1可以看出,KQ-SNG 的氣源中含有氫組分,其體積分數約為2%。為保證下游用戶氫組分比例要求,建議對該氣源進行摻混輸送。目前,常用的天然氣摻混方法主要有文丘里引射式混合器、高壓比例式混合器、配比式混合器、隨動流量混合器摻混等[26]。A 城市高壓管網壓力約為6 MPa左右,同時考慮到投資的經濟性,采用隨動流量混合器為較優的摻混方案。此外,已有學者模擬兩種氣源的天然氣在管道中的混輸過程,結果發現混輸點下游40 m 處氣體已經完全混合[27]。因此,建議在MY 站處建設相應的隨動流量混合器和摻混管路。將GLY 到MY 的燃氣與KQ-SNG 氣源進行摻混,摻混后燃氣的氫組分低于1%以后,再通過混輸管路輸送至下游用戶。

3.4 冬夏工況氣體華白數分析

根據表5可知,夏季時A 城市主要是S4氣源供氣。以供氣較多的S4 燃氣為基準氣,以下分析S1、S2、S3、KQ-SNG、LNG 與其進行互換時的安全性。圖9和圖10分別給出以S4燃氣為基準氣時,各氣源及各輸氣站的華白數。

從圖9可以看出,以S4燃氣為基準氣時,S1、S2、S3、KQ-SNG、LNG 氣源的氣體華白數分別為47.24 MJ/m3、46.12 MJ/m3、47.54 MJ/m3、50.63 MJ/m3,其差異分別為2.4%、4.7%、1.79%、4.6%。S2、S3和LNG 的華白數與S4差異接近燃氣互換性的臨界允許值5%。因此,需要對各輸氣站華白數進行分析,保障燃氣互換性安全。

從圖10可以看出,夏季工況下各輸氣站的華白數較為接近,最大差異為BD 和YQ 輸氣站,最大偏差僅為2.64%,小于5%互換臨界允許值。這說明夏季工況下各輸氣站的燃氣可以直接互換。冬季工況下,各輸氣站的華白數差異較大。最大差異為BD 和YQ 輸氣站,最大偏差高達8%。這說明冬季工況下各輸氣站的燃氣不可以直接互換。同時,由于S2、S3、S4和LNG 開始供氣,XH、BD 等西南部區域華白數開始升高,而LLH 和LX 等東南部區域華白數開始降低。夏冬兩種工況下BD 處華白數變化最大,最大變化為4.9%,接近5%互換臨界允許值。因此,夏冬季用氣切換時,需要對BD 輸氣站及下游區域的用戶進行密切監控和管理,以保證供氣安全。

3.5 輸氣站氣體發熱量分析

在A 城市燃氣管網中,發熱量影響下游用戶燃燒效率。對用戶發熱量進行監控,能夠保障下游用戶燃燒平穩運行。

燃氣發熱量影響下游電廠的燃燒效率,以下對各輸氣站的燃氣發熱量進行分析。圖11為各輸氣站的氣體發熱量。從圖11可以看出,XH、BD、LLH 和LX輸氣站處冬季和夏季燃氣發熱量相差明顯。BD 輸氣站夏季燃氣發熱量為37.11 MJ/m3,冬季燃氣發熱量為38.82 MJ/m3,發熱量升高4.61%。LLH 輸氣站夏季燃氣發熱量37.42 MJ/m3,冬季燃氣發熱量為35.92 MJ/m3,發熱量下降4%。燃氣發熱量的波動,將對用戶用氣量產生直接的影響,因此,應盡量保持用戶處燃氣發熱量的穩定。對于工業用戶(如電廠用戶),由于工業生產過程都已程序化,發熱量的升高或降低都將導致所產生熱量發生變化。熱量波動超過一定范圍時,會對生產過程產生較大影響。必要時可以為燃氣輪機用戶建立專門管線,從而保障工業生產平穩運行。對于居民用戶,發熱量降低會導致居民燃氣消耗增加,加大居民經濟負擔。此外,不同輸氣站處氣體發熱量不同,導致計量不公平性。例如,冬季工況下,BD 輸氣站與LLH 輸氣站的氣體發熱量相差高達7.47%。因此,針對目前A 城市燃氣的多氣源供氣狀態,建議采用能量計量方式取代傳統的體積計量,保障用氣的公平性。在能量計量的試行階段,可由工業大用戶先試行。

4 結論及建議

針對復雜的多氣源混輸燃氣管網系統,本研究在傳統管網水力仿真模型基礎上補充氣體組分追蹤方程,構建了多氣源管網混輸仿真數學模型。該模型可準確描述燃氣組分在管網內分布情況和氣源的影響范圍。對于某省規劃多氣源混輸管網,本研究所構建多氣源混輸仿真模型所得的氣源比例及燃氣發熱量結果與文獻結果吻合良好,說明本研究所開發的多氣源混輸模型的準確性較好,可用于研究多氣源混輸工程。

將所構建多氣源混輸模型應用于A 城市高壓燃氣管網系統,研究多氣源混輸對管網中氣體壓力、氣源結構及氣體組成的影響。夏季時,S4承擔A 城市的主要供氣任務,所有輸氣站氣體組成中S4氣源均占據重要比例,同時XST、GLY 和MY 等北部區域的輸氣站的氣體壓力較高。冬季時,由于A 城市燃氣需求量增加,S2、S3和LNG 供氣量加大,LLH、YQ 和BD 等南部區域輸氣站壓力明顯升高,與夏季相比壓力可升高20%。同時,與夏季相比,冬季時各輸氣站的氣體來源復雜化,TZ 和LX 等輸氣站冬季時氣體來源幾乎全部置換。建議對這些壓力和氣體來源波動較大的輸氣站加強監管。

多氣源混輸對甲烷、氫組分比例和華白數等氣質指標影響較小。各輸氣站氣體的甲烷比例較高,這對A 城市霧霾防治有著積極意義。各輸氣站氣體的氫組分體積分數均小于1%,滿足對氫組分敏感的用戶(如發電廠)的用氣需求。夏冬季供氣方案的調整將導致各輸氣站氣體華白數產生小于5%的波動,滿足氣體互換性要求。但是,BD 輸氣站的華白數變化為4.9%,臨近互換臨界允許值,需對該輸氣站加強監管。需要特別指出的是,多氣源混輸會導致管網中氣體發熱量有明顯的差異性。例如,同一季節BD 與LLH 輸氣站的氣體發熱量差異可達7.47%,夏冬季BD 輸氣站的氣體發熱量差異可達4.61%。很明顯,這將導致產生相同熱量卻需要不同用氣量,影響計量的不公平性。建議采用能量計量方式替代傳統的體積計量,在試行能量計量時也可以由工業大用戶先試行。